设计一台微机控制XY两坐标工作台综合课程设计说明.doc

课 程 设 计 说 明 书 原始数据：设计一台微机控制XY两坐标工作台，采用MCS-51单片机控制，控制方式采用步进电动机开环控制。其他参数如下：脉冲当量mm/step定位进度 mm最大移动速度m/min工作台尺寸mm进给抗力N工作台行程mm台面最大重量kgXY0.0050.045800*4001200600410550一、 系统总体设计方案 微型机人机接口机电接口驱动电路步进电机步进电机减速器减速器工作台滚珠丝杠滚珠丝杆X方向传动机构Y方向传动机构由设计任务书知，本次设计可采用如下方案：（一） 机械系统1、 传动机构采用滚珠丝杠副与齿轮或带减速。2、 导出机构采用滚动直线导轨。3、 执行机构采用步进电机。（二） 接口设计1、 人机接口（1） 采用键盘或BCD码盘作为输入。（2） 采用LED作为电源等指示标志。（3） 采用蜂鸣器或扬声器作为警报装置。（4） 采用数码管作为显示器。2、 机电接口采用光电耦合器作为微型机与步进电机驱动电路的接口，实现电气隔离。（三） 伺服系统设计本次设计的系统精度要求不高，载荷不大，因此采用开环控制。（四）控制系统设计对整体设计方案的说明:机电一体化机械系统应具备良好的伺服性能（既高精度、快速响应性和稳定性好）从而要求本次设计传动机构满足一下几方面：（1） 转动惯量小 在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小。否则，转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；系统响应速度降低，灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振。所以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量。（2）刚度大 刚度是是弹性体产生单位变形量所需的作用力。大刚度对机械系统而言是有利的:伺服系统动力损失随之减小。机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振。增加闭环伺服系统的稳定性。所以在设计时应选用大的刚度的机构。（3）阻尼合适 机械系统产生共振时，系统的阻尼增大，其最大振幅就越小且衰减也快，但大阻尼也会使系统的稳定误差增大，精度降低，所以设计时，传动机构的阻尼要选择适当。此外还要求摩擦小（提高机构的灵敏度）、共振性好（提高机构的稳定性）、间歇小（保证机构的传动精度），特别是其动态特性应与伺服电动机等其它环节的动态特性相匹配。CPU光偶驱动器步进电机人机接口显示、报警速度位移开环控制原理图1、控制部分方案选择控制方案不外乎三种：开环控制、半闭环控制、闭环控制。上图为“开环控制”，若在“机械传动”机构中引出反馈给控制部分，在经过比较放大的则为“半闭环控制”。如若是在机械执行机构中引出反馈则为闭环控制。采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制，因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有这正比关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精确度要求不是很高时，采用步进电机是合理的。当然，由于步进电机具有高频易失步，负载能力不强的缺点。2、直线滚动导轨的选定滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得：动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率大幅度下降，只相当于普通机床的十分之一。与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力下降约40倍。适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。能实现高定位精度和重复定位精度。能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。成对使用导轨副时，具有误差均化效应，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校度；心部保持良好的机械性能。简化了机械结构的设计和制造，解决了运动灵敏度高定位精度高牵引力小、移动轻便精度保持性好润滑系统简单、维修方便摩擦系数小、动摩擦系数很接近、不产生爬行现象。3、滚动丝杆副的选用及其支承形式（1）滚动丝杆副有如下特点：传动效率高系统刚性好传动精度高使用寿命长运动具有可逆性不会自锁可进行预紧和调隙（2）常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种：垫片调隙式（该形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，应用广，但不准确，并且当滚道磨损时不能随意调整，除非更换垫圈）螺纹调隙式（该形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，缺点是不很精确）齿差调隙式(该形式调整精度很高，工作可靠，但是结构复杂，加工和装配工艺性能差)，其调整时，先取下两端的内齿圈，使两螺母产生相对角位移，相对地产生轴向的相对位移，从而两螺母中的滚道中的滚珠分别贴在螺旋滚道的两个相反侧面上，然后将内齿圈复位固定，故而达到消除间隙，产生算紧的目的。调整间隙：S=kp/z1z2 在本设计中，我选用第种间隙调整方式，并且选外循环滚珠丝杠做为工作台的传动机构，因为这种循环方式结构简单，工艺性好，承载能力强，成本低等优点。（3）支承形式：选用两端固定形式（F-F），特点：只要轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的4倍 丝杆一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定的高 可以预拉伸，预紧拉伸后可减小丝杆自重的下垂和热补偿膨胀。4、联轴器的选择由于要求设计的工作台属于轻载型工作台，工作台上的负载折算到电机上的转动惯量不是很大，所以电机与丝杆的连接用联轴器就可以满足要求。这样大大简化了主轴的结构，缩短传动链，提高了传动精度。同时有效地提高了主轴部件的刚度。5、导轨支承座的选择选HT150做为支承座材料，其优点耐磨，耐腐蚀，抗震性好，刚度高。6、轴承的选择由于丝杠主要受轴向力的作用，为了保证其高速、高精度和可靠性。可选用前后支承均采用高精度的单列向心推力轴承和一个深沟球轴承支承。这样即保证了轴向载荷和径向载荷。注：执行机构传动方式的确定为保数控系统的传动精度和工作平稳性。在满载设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼的要求，所以设计时要遵守以下原则;(1) 缩短传动链，这样可以提高系统传动的传动刚度，减少传动链误差，同时可以通 过预紧方式提高传动精度。(2) 工作台与导轨的安装要确保工作台与导轨的垂直度和平行度达到规定的精度。(3) 控制好两导轨的水平度和平行度，否则导致工作台在移动过程中出现卡死现象。(4) 确保电机与丝杠连接时达到规定的同轴度及调节好电机的定位精度。(5) 轴承的安装，确保预紧，提高传动精度。二、 机械系统的设计计算（一） 初选步进电动机（1） 根据脉冲当量，初选步进电机脉冲当量根据系统精度来确定，对于开环系统一般为0.005mm0.01mm。如取得太大，无法满足系统精度 ；如取得太小，或者机械系统难以实现，或者对其精度和动态特性能提出跟高的要求，是经济性的降低。根据已知条件：X、Y方向的脉冲当量x、y分别为：x=y=0.005。即脉冲当量较小，因此这里选用反应式步进电动机。其特点：步距角小，运行频率高，价格较低，但功耗较大，由于是用联轴器连接电机主轴和丝杠，所以传动比i=1。根据公式初选步距角=360i/p=0.9试选电机90BF4-1.8型号。1、 步进电机的脉冲频率计算典型工况下，步进电机的脉冲频率fx和fy分别为：fx = 1000vx /(60x) = 1000/(60*0.005) =3333.3p/s fx max =12000p/sfy = 1000vy /(60y) = 1000/(60*0.005) =3333.3p/sFx 进给抗力=1200N Fy = 2Ty y Z2 /（Sy Z1 ） = 2*2.8*0.83*32/(0.004* 18) =6480NFy 进给抗力=1200N驱动力远大于进给抗力，所以所选步进电机满足使用要求。(二) 计算减速器传动比减速器传动比：i=p/（360p） 步进电机步距角（） p丝杠导程（mm） （mm） p-工作台运动的脉冲当量(mm)初取滚动丝杠：公称直径（mm） 导程（mm） 16 5此时： 30 i=p/（360p）=0.9*5/（360*0.005）=2.520JG/JP101级2级3级74级532 30 501001052 传动级数选择曲线按图选一级齿轮传动。（三）齿轮机构设计 传动功率=工作台进给抗力*工作台移动速度/传动链效率 机械传动效率概略值（供参考） 类型 V带传动联轴器传动圆柱齿轮传动一对滚动轴承丝杆螺母副符号vegbx 效率0.940.970.970.9950.960.990.980.9950.900.95 初选效率为0.85 传递功率=1200（5*0.85）/550=9.2727 w可见，系统传递的功率很小，在要求不高时，以后各步的计算可省略。并采用经验法来设计各元部件。1、 齿轮传动机构的基本参数传递功率 （w）小齿轮转速n1（r/min）传动比一天运转时间（h）工作寿命（年）传动效率 转向工 况9.27275002.5850.975无稳定 其中小齿轮转速： n= i*v工作台*1000/p=500r/min2、 选择材料及确定许用应力小齿轮材料选择45钢(表面淬火)，硬度为45HRC大齿轮材料为45钢（调质），硬度为220HBS小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim 1=1130MPa（淬火处理） 大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim 2=550MPa 安全系数SH和SF安全系数软齿面硬齿面重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮 SH 1.01.1 1.11.2 1.3 SF 1.31.4 1.41.6 1.62.2取安全系数SH=1.1 H1 = Hlim 1/SH = 1130/1.1 = 1027.27MPa H2 = Hlim 2/SH = 550/1.1 = 500MPa小齿轮的弯曲疲劳强度极限F lim 1=240MPa 大齿轮的弯曲疲劳强度极限F lim 2=190MPa取SF =1.3 F 1 = Flim 1/SF = 240/1.3 = 184.62MPa F 1 = Flim 1/SF = 190/1.3 = 146.15Mpa3、 按齿面接触强度设计设齿轮按7级精度制造。取载荷系数1.1，齿宽系数a=0.3，T = 9550 p/n =9550*9.25/（500*1000）=0.177Nm取Z1 =18；大齿轮齿数：Z2 = i*Z1 =49模数m= 2a/(Z1+Z2) = 1.3；取标准值 m=1.5确定中心距a=50mm齿宽：b=a=15mm取b1=15mm；b2=20mm4、 验算齿轮弯曲强度齿型系数YF1=3.02；YF2=2.18校验结果：安全。5、 齿轮圆周速度选用7级精度是安全的。（四） 滚珠丝杠选择1、 滚珠丝杠工作长度计算l=l工作台+l行程+l余量X方向丝杠工作长度：ly=410+450+40=900mmX方向丝杠工作载荷：FX=500N令两方向丝杠的工况均为：每天开机6小时；每年300个工作日；工作8年以上。丝杠材料：CrWMn钢；滚道硬度为5862HRC；丝杠传动精度为0.04mm。平均转速为n=100r/min2、 计算载荷FC求解FC = FF FH FA Fm =1.1*1.0*1.0*1200N=1320N查机电一体化设计基础表2-6；2-7；2-8的，查表2-4取C级精度。 表2-6载荷系数载荷性质无冲击平稳运动一般运转有冲击和振动运转KF11.21.21.51.52.5表2-7硬度系数滚到实际运动5855504540KH1.01.111.562.43.85 表2-8精度系数精度等级C、DE、FGHKA1.01.11.251.433、 额定动载荷计算Ca 计算假设滚动丝杠能工作6年，每年为300天，每天工作8小时 Lh= 6*300*8 = 14400hCa = 4、 滚珠丝杠副选择根据Ca选着滚珠丝杠副，按滚珠丝杠副的额定运动载荷Ca等于稍大于Ca的原则。在互联网上查得：选型号：GW1505DS-0600A.Ca=4280N，其参数如下：丝杠轴尺寸：名义外径d=16mm 导程：P=5mm 螺纹长度l=600mm 总长=640mm 螺纹尺寸：外径D=34mm 总长 螺母总长F=30mm 滚珠直径： 圈数*回路数 =2.5*1 滚道半径R=0.52d0=1.65mm 偏心距e=0.707*（R-d0/2）=0.044mm 丝杠内径d1=D0+2e-2R=12.79mm 基本动载荷 基本静载荷 轴向跳动：0.03max因为 ，所以GW1505DS-0600A合格型号名义外径名义导程丝杠轴尺寸 螺母尺寸螺纹长度总长袍径轴端长度外径总长螺母总长法兰尺寸外径安装孔dLltd12DLtFD1TWPMEGW1505DS-HULR-0600A15 5540600（12，5）34403054103444M45L120011401200GW1510DS-HULR-0600A155406006034404257103445M55120011401200GW1520DS-HULR-0600A2054060034404957103445M551200114012005、 稳定性验算1） 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S（见表2-10）丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷crF （N）按下式计算： Fcr = EIa /（l） 式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206GPa；l为丝杠工作长度(m)；Ia为丝杠危险截面的轴惯性矩（m4）；为长度系数，见表2-10.依题意，取=2/3，则安全系数2） 高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速crn。要求丝杠的最大转速nmncr临界转速ncr=（r/min）:3） 滚珠丝杠副还受D n o值的限制，通常D on 7*10000mm r/min D on =16*100=1600 L,该丝杠满足刚度要求。7、 效率验算滚珠丝杠副的传动效率为 要求在90%95%之间，所以该丝杠副合格。（五） 滚动直线导轨选择1、 已知参数滚座上载荷F滚座个数M单向行程长度 L 每分钟往复次数每天工作一年工作日寿命4900N2个410mm4次8小时300日5年F = m g =500*9.8 = 4900N2、 导轨额定寿命计算T = 6*300*5 = 9000 h由公式 T导轨额定行程长度寿命(km) Ls工作单形成长度（m0 n每小时往复次数（次/h）得：T = 2Tln/10 = 2*9000*0.41*4*60/10 = 因滑座数M = 4，所以每根导轨上使用2个滑座，由表2-152-18确定 接触系数：fc=0.81 负荷系数：fh=1 温度系数：ft=1 硬度系数：fw=1.5由式 K寿命系数，一般取50km F滑座工作载荷N Ca额定动载荷N得：经查相关资料知其基本额定载荷为：C N = 1740 ，能满足使用要求。（六） 计算系统转动惯量1、 电动机轴上总当量负载转动惯量计算小齿轮转动惯量大齿轮转动惯量丝杠转动惯量将各传动件转动惯量及工作台质量折算到电动机轴上，得总当量负载转动惯量：2、 惯量匹配验算满足 1 的要求，惯量匹配比较合理。3、 步进电动机负载能力校验（1） 步进电动机轴上的总惯量（2） 空载启动时，电动机轴上的惯性转矩（3） 电动机轴上的当量摩擦转矩其中伺服进给传动链的总效率取为 =0.85（4） 设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3，则因预紧力而引起的折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为（5） 工作台上的最大轴向载荷折算电动机轴上的负载转矩为（6） 空载启动时电动机轴上的总负载转矩为（7） 在最大工作载荷下电动机轴上的总负载转矩为（8） 按表查得空载启动时所需电动机最大静转矩为（9） 按式5-39可求得在最大外载荷下工作时所需要电动机最大静转矩为结论：所选步进电动机启动转矩T = 3.30N.m 远大于所需要的启动转矩T，因此选择的步进电动机的功能不能充分发挥。4、 系统刚度计算（1） 按式5-8所列公式可求得丝杠最大、最小拉压刚度为（2） 假定丝杠轴向支承轴承经过预紧并忽略轴承和螺母座刚度的影响，按表5-9所列公式可求得丝杠螺母机构的综合拉压刚度 （3） 按式5-45可计算出丝杠最低扭转刚度为5、 固有频率计算（1） 丝杠质量为（2） 丝杠-工作台纵振系统的最低固有频率为（3） 折算到丝杠轴上系统的总当量转动惯量为（4） 如果忽略电动机轴及减速器中的扭转变形，则系统的最低扭振固有频率为与均较高，说明系统动态特性好。6、 死区误差计算设齿轮传动和丝杠螺母机构分别采取了消隙和预紧措施，则按式5-59可求得由摩擦力引起的最大反向死区误差为： 脉冲当量，因此系统能满足单脉冲进给。7、 由系统的刚度变化引起的定位误差计算按式5-60可求得由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的最大定位误差。由于系统要求的定位精度为0.04mm，即允许定位误差为 = 0.08mm 因而，系统刚度满足定位精度要求（七） 联轴器的选择弹性套柱销联轴器结构比较简单，制造容易，不用润滑，不需要与金属硫化粘结，更换弹性套方便，不用移动半联轴器，具有一定补偿两轴相对偏移和减震缓冲性能。弹性套工作是受压缩变形，由于弹性套的厚度较薄，体积小，弹性变形有限，所以，弹性套柱销联轴器虽可补偿轴线位移和弹性。弹性套柱销联轴器是依靠柱销组的锁紧力而产生于接触面的摩擦力矩，并压缩橡胶弹性套来传递转矩。适用于安装底座刚性好、对中精度较高、冲击载荷不大、对减震要求不高的中小功率轴系传动。根据选出的电机和丝杠的参数，选出下面的弹性套柱销联轴三、 控制系统设计（一）微处理器的选择根据设计要求，系统控制的主要功能是对步进电机的脉冲频率及其分配的控制。同时在实现这一主功能的基础上，附带若干协助功能，如显示、预置、时间、键盘等。结论：1、 系统对内存要求不高。2、 系统处理的运算不是很复杂，对CPU的计算速度要求不高。3、 为扩展键盘、显示、掉电保护等功能，要求系统提供较多的口线盒完善的中断系统。考虑到上面的原因，这里可以采用市面供应充分，性能价格比较好的AT89C52作为系统的微处理器。其参数见下表： AT89C52参数表型号 ROM串行口晶振频率封装RAM 说明AT89C52 8KUARK12MHz40DIP256与intel80C32兼存（二） 系统扩展系统中采用键盘实现输入，并采用LED显示器，它们均需要占用较多芯片口线，所以该系统是需要进行系统扩展的。可编程并行接口8255A是一种应用广泛的并行接口扩展器件。它具有三个8位并行口PA、PB、PC由此提供了24条口线。CPUWRRDD0D7csA1 WRA2 RDP00 39 AD0P07AD7P27 32P26P25 图3-1扩展连接（三） 键盘连接VCC键盘采用机械式按钮组成。它属于常开类型，按图（3-2）的接线，当键K按下时P口电位拉低。相反，K未按时，P口一直保持高电位。其中电路中电阻起限流作用，避免CPU被过大的电流烧毁。键盘采用软件消抖。图3-2单键接线图4008255（四） 时钟芯片的选择P为实现时间的显示，这里引入了时钟芯片DS12C887。KGnd（五） 可靠性设计为提高系统的可靠性，在这里采用了MAX813L。这是因为AT89C52芯片内部未带WATCHDOG（系统正常工作监视器），因此若不加外部WATCHDOG，便会造成在工作电压过低时，系统出现不正常运行，产生不良的现实后果。（六） 掉电保护设计VCC掉电保护设计的目的是在断电或复位后，待系统恢复正常时，系统能够恢复到原先状态，实现继续运转的功能。这样就要求将运行时的重要参数得到保存。保存的数据包括，预置时的“位移值”、“速度值”、“运行过程中已经走过的位移量”。为实现这一目的，需要在系统中引入芯片AT24C01(E2PROM)。P（七） 报警设计9012CPU报警装置可以是“报警灯”、“声音报警”、“声音和1K灯光共用”等形式，在实验室等安静的环境中，声音报SPK警是比较理想的方法。因此，根据实际情况，在该系统GND中采用“声音”报警。（八） 显示模块设计系统所需显示任务是数字显示，且显示数据量不大， 图3-4显示模块88TD/P因此在系统中采用数码管作为显示器是能够TD/P满足任务的。系统中采用静态显示较为合理。74LS16474LS1641、2在静态显示方式中，采用4LS164作为显示接口是比较通用的方法，而且这种接口价格133便宜，使用方便，CPU只要提供两条口线便400可以实现稳定、高度的显示。4001、2 LED（九） 步进电机驱动电路设计步